• ISSN 0258-2724
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竖井掘进机真空气力出渣输送效率分析

黄鸿颖 罗毅 管会生 马海成

黄鸿颖, 罗毅, 管会生, 马海成. 竖井掘进机真空气力出渣输送效率分析[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240255
引用本文: 黄鸿颖, 罗毅, 管会生, 马海成. 竖井掘进机真空气力出渣输送效率分析[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240255
HUANG Hongying, LUO Yi, GUAN Huisheng, MA Haicheng. Conveying Efficiency Analysis of Vacuum Pneumatic Slagging of Shaft Boring Machine[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240255
Citation: HUANG Hongying, LUO Yi, GUAN Huisheng, MA Haicheng. Conveying Efficiency Analysis of Vacuum Pneumatic Slagging of Shaft Boring Machine[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240255

竖井掘进机真空气力出渣输送效率分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240255
基金项目: 国家重点研发计划(2021YFB3401500)
详细信息
    作者简介:

    黄鸿颖(1996—),男,博士研究生,研究方向为竖井掘进机设计及理论,E-mail:2451680277@qq.com

    通讯作者:

    管会生(1961—),男,教授,博士,研究方向为掘进机设计及理论,E-mail:ghs822@163.com

  • 中图分类号: TU621

Conveying Efficiency Analysis of Vacuum Pneumatic Slagging of Shaft Boring Machine

  • 摘要:

    为提高竖井掘进机真空气力出渣系统的输送效率,解决出渣系统参数与岩渣参数不匹配导致的输送效率低下的问题,基于单因素分析法和正交试验法研究输送系统参数对出渣效率的影响. 首先,基于流体力学原理,建立真空气力出渣系统参数与压力损失的计算模型,确定系统关键参数;利用Fluent软件模拟真空气力出渣过程,并以岩渣出口速度和气体平均压降作为出渣效率的考量指标;采用单因素分析法,研究管道内径、气体流速、岩渣粒径和岩渣密度4个因素对输送效率的影响规律;进一步,运用正交试验法开展多因素分析,并应用非支配排序遗传算法获得帕累托前沿解集;最后,开展真空气力出渣系统的输送效率试验. 研究结果表明:气体流速和岩渣粒径对岩渣出口速度的影响最显著,管道内径和气体流速对气体平均压降的影响最显著;气体平均压降与岩渣出口速度难以同时达到最优,岩渣出口速度的最小值对应最佳经济输送点,得到的输送参数优化组合为岩渣粒径10 mm、管道内径150 mm、气体流速40 m/s. 研究成果可为竖井掘进机真空气力出渣系统的施工应用提供参考.

     

  • 图 1  竖井掘进机真空气力出渣系统及竖井的岩渣

    Figure 1.  Vacuum pneumatic slagging system of shaft boring machine and rock slag of shaft

    图 2  流场几何模型的网格划分

    Figure 2.  Meshing of flow field geometry models

    图 3  岩渣速度轨迹曲线

    Figure 3.  Trajectory curves of rock slag velocities

    图 4  气体压降分布曲线

    Figure 4.  Distribution curve of gas pressure drop

    图 5  管道内径对岩渣出口速度以及气体压降的影响

    Figure 5.  Influence of inner diameter of pipe on outlet velocity of rock slag and gas pressure drop

    图 6  管道内径对岩渣出口流量的影响

    Figure 6.  Influence of inner diameter of pipe on rock slag outlet flow

    图 7  气体流速对气体平均压降及岩渣出口速度的影响

    Figure 7.  Influence of gas velocity on outlet velocity of rock slag and average gas pressure drop

    图 8  气体速度对岩渣出口流量的影响

    Figure 8.  Influence of gas velocity on rock slag outlet flow

    图 9  岩渣粒径对岩渣出口速度及气体平均压降的影响

    Figure 9.  Influence of particle size on outlet velocity of rock slag and average gas pressure drop

    图 10  岩渣粒径对岩渣出口流量的影响

    Figure 10.  Influence of particle size on rock slag outlet flow

    图 11  岩渣密度对岩渣出口速度及气体平均压降的影响

    Figure 11.  Influence of rock slag density on outlet velocity of rock slag and average gas pressure drop

    图 12  岩渣密度对岩渣出口流量的影响

    Figure 12.  Influence of rock slag density on rock slag outlet flow

    图 13  解的帕累托前沿分布

    Figure 13.  Pareto front distribution of solution

    图 14  真空出渣系统的结构组成及工作原理

    Figure 14.  Structural composition and working principle of vacuum slagging system

    图 15  不同粒径岩渣的试验与仿真的出口流量对比

    Figure 15.  Comparison of experimental and simulation results for outlet flow of rock slag with different particle sizes

    图 16  不同粒径岩渣的试验与仿真的气体平均压降对比

    Figure 16.  Comparison of gas pressure drop of different particle sizes rock slag between test and numerical simulation

    表  1  竖井工程的初始参数

    Table  1.   Initial parameters of shaft project

    参数 取值
    竖井直径/m 6
    平均掘进速度/(m•h−1 0.33
    岩渣粒径/mm 10
    岩渣密度/(kg•m−3 2600
    空气密度/(kg•m−3 1.29
    管道输送高度/m 20
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    表  2  出渣系统关键参数及压力损失

    Table  2.   Key parameters and pressure loss of slagging system

    参数 取值
    单位时间输送量/(kg•s−1 6.74
    固气混合比 5
    输送气速/(m•s−1 50
    管道内径/mm 160
    压力损失/Pa 179748.60
    真空泵风量/(m³•h−1 4500
    真空泵风压/Pa 800000
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    表  3  仿真模型的网格无关性验证

    Table  3.   Grid independence verification of simulation model

    网格尺寸/
    mm
    网格节点数/
    总单元数/
    气体平均压降/
    (kPa•m−1
    5 4008462 1609208 6.380
    10 3497094 840868 6.383
    15 1969533 468280 6.379
    20 1046886 242284 6.293
    25 688146 101800 5.924
    30 497363 61080 5.871
    35 326077 54792 5.963
    45 102962 38684 5.641
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    表  4  四因素四水平正交试验方案

    Table  4.   Four-factor and four-level orthogonal test scheme

    试验号 因素
    A/mm B/(m•s−1 C/mm D/(kg•m−3
    1 150 40 10 1400
    2 150 45 15 2000
    3 150 50 20 2600
    4 150 55 25 3200
    5 200 40 15 2600
    6 200 45 10 3200
    7 200 50 25 1400
    8 200 55 20 2000
    9 250 40 20 3200
    10 250 45 25 2600
    11 250 50 10 2000
    12 250 55 15 1400
    13 300 40 25 2000
    14 300 45 20 1400
    15 300 50 15 3200
    16 300 55 10 2600
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    表  5  正交试验结果

    Table  5.   Orthogonal test results

    试验号 岩渣出口速度/
    (m•s−1
    气体平均压降/
    (kPa•m−1
    岩渣出口流量/
    (kg•s−1
    1 18.36 9.98 6.90
    2 13.67 9.18 6.90
    3 14.06 7.45 6.89
    4 10.35 6.52 6.12
    5 16.32 6.53 6.91
    6 15.32 6.80 6.91
    7 10.35 7.28 6.24
    8 16.24 6.28 6.96
    9 15.12 6.96 6.94
    10 13.40 7.98 6.37
    11 15.16 6.53 6.93
    12 17.23 5.78 6.92
    13 11.23 8.63 6.48
    14 14.81 5.88 6.86
    15 15.13 5.08 6.92
    16 18.33 5.08 6.94
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    表  6  岩渣出口速度极差分析结果

    Table  6.   Range analysis results of rock slag outlet velocity

    水平号 因素
    A/mm B/(m•s−1 C/mm D/(kg•m−3
    K1 56.45 61.04 67.17 60.76
    K2 58.24 57.20 62.35 56.31
    K3 60.92 54.71 60.24 62.11
    K4 59.50 62.15 45.34 55.93
    k1 14.11 15.26 16.79 15.19
    k2 14.56 14.30 15.59 14.08
    k3 15.23 13.68 15.06 15.53
    k4 14.88 15.54 11.34 13.98
    极差 R 1.12 1.86 5.46 1.54
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    表  7  气体平均压降极差分析结果

    Table  7.   Range analysis results of average gas pressure drop

    水平号 因素
    A/mm B/(m•s−1 C/mm D/(kg•m−3
    K1 33.12 32.09 28.38 28.92
    K2 26.88 29.82 26.56 30.61
    K3 27.24 26.33 26.56 27.03
    K4 24.66 23.66 30.40 25.35
    k1 8.28 8.02 7.10 7.23
    k2 6.72 7.46 6.64 7.65
    k3 6.81 6.58 6.64 6.76
    k4 6.16 5.91 7.60 6.34
    极差 R 2.12 2.11 0.96 1.32
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  • 收稿日期:  2024-05-27
  • 修回日期:  2024-08-23
  • 网络出版日期:  2025-10-20

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